DE2854576A1

DE2854576A1 - Plasma diverter preventing plasma touching vacuum chamber walls - uses helical conductors producing moving magnetic islands in toroidal fusion generator

Info

Publication number: DE2854576A1
Application number: DE19782854576
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Conrads; Gerhard Dr Fuchs; Friedbert Dr Karger; Karl Dr Lackner; Gerd H Prof Dr Wolf
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1978-12-18
Filing date: 1978-12-18
Publication date: 1980-06-19
Also published as: DE2854576C2

Abstract

The plasma diverter has its one or more limiters (5, 7) combined with an outer helical arrangement of conductors (3) to generate magnetic islands (4) passing the evacuation opening or openings. The T-shaped limiter is located at the centre of the islands such that the energy received by the guide plates (edges) is reduced. The stem of the limiter has a min. poloidal length such that each field line cuts the stem at least once in passing around the island. The poloidal thickness of the limiter's stem - acting as baffle plate - is chosen to optimise the thickness of the boundary plasma layer.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Randschicht- Method and device for surface layer

ableitung beim toroidalen Hochtemperaturplasma Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur verbesserten Aufnahme und Abführung des in der Randschicht eines toroidalen Hochtemperaturplasmas anfallenden Plasma- beziehungsweise Gasflusses mit Hilfe von allgemein T-förmigen, an den Pumpöffnungen angeordneten Abschällimitern sowie auf eine E'u,sionsanordnung (mit Abschällimiter(n) in beziehungsweise an einer Pumpöffnung) zur Durchführung des Verfahrens. dissipation in toroidal high temperature plasma The invention relates on a method for the improved absorption and removal of the in the surface layer a toroidal high-temperature plasma occurring plasma or gas flow with the help of generally T-shaped peel limiters arranged at the pump openings as well as an E'u, sion arrangement (with peeling limiter (s) in or on a Pump opening) to carry out the procedure.

Toroidale Hochtemperaturplasmen werden derzeit vorzugsweise in tokamak- oder stellaratorförmigen Konfigurationen erzeugt und magnetisch eingeschlossen. Dabei wird die Plasmarandschicht üblicherweise von einer mechanischen Blende begrenzt. Diese Blende, allgemein Limiter genannt, dient hauptsächlich dem Zweck, eine unerwünschte und unkontrollierte Berührung des Plasmaschlauches mit der inneren Wand des den Plasmaschlauch umgebenden toroidalen Vakuumgefäßes zu verhindern. Der Limiter umfaßt den Plasma schlauch im allgemeinen in poloidaler Richtung, wobei er zum Beispiel kreisringförmig ausgebildet sein kann (siehe DE-OS 26 32 905). Die aus dem Inneren des toroidalen Plasmaschlauches herausdiffundierenden Plasmateilchen, Elektronen und Ionen, treffen auf die Limiteroberfläche auf, wo sie neutralisiert werden und in Form von Neutralgas anschließend entweder durch Pumpstutzen abgepumpt oder aber (zum größeren Teil) wieder dem Brennstoffkreislauf zugeführt werden.Toroidal high-temperature plasmas are currently preferred in tokamak- or stellarator-shaped configurations created and magnetically confined. The plasma edge layer is usually limited by a mechanical screen. This aperture, commonly known as a limiter, serves the main purpose of preventing an undesired and uncontrolled contact of the plasma tube with the inner wall of the den To prevent plasma tubing surrounding the toroidal vacuum vessel. The limiter includes the plasma tube generally in a poloidal direction, for example Can be designed circular (see DE-OS 26 32 905). The one from within of the toroidal Plasma particles diffusing out, Electrons and ions hit the limiter surface, where it is neutralized and then either pumped out in the form of neutral gas through pump nozzles or (to a large extent) are fed back into the fuel cycle.

Im Zuge des oben beschriebenen Prozesses ergeben sich zwei für Fusionsplasmen wesentliche Probleme, nämlich das Verunreinigungsproblem und das Problem der Heliumabfuhr. Das Verunreinigungsproblem besteht darin, daß die aus dem Plasma emittierten Teilchen und Strahlen bei ihrem Auftreffen auf Gefäßwände und den Limiter dort Material freisetzen können, welches zu einem Bruchteil in den Plasmaschlauch eindringt und dort - im wesentlichen infolge erhöhter Strahlungsverluste (Linienstrahlung) - die Wirkung einer schädlichen Verunreinigung hat. Darum ist man bemüht, Lösungen zu finden, welche einerseits das Maß dieser sogenannten Plasma-Wand-Wechselwirkung insgesamt reduzieren, andererseits gestatten, die in die Plasmarandschicht eingedrungenen Wandverunreinigungen möglichst schnell wieder aus dem Plasma zu entfernen. Letzterer Prozess, nämlich die Entfernung von Plasmakomponenten, welche nicht als thermonuklearer Brennstoff dienen können, hat auch für die abfuhr des bei Fusionsreaktionen entstehenden Heliums ( d-Teilchen) große Bedeutung. Falls es nämlich nicht gelingt, das als Abbrand im Fusionsplasma entstandene Heliumahinreichend rasch aus dem Brennvolumen zu entfernen, so bewirkt dessen allmähliche Akkumulation -in ähnlicher Weise wie die Akkumulation schädlicher Wandverunreinigungen- eine unzulässige Erhöhung der aus dem Plasma emittierten Strahlung (das heißt Strahlungsverluste) und gleichzeitig (im Falle einer Begrenzung des zulässigen Plasmadruckes) eine Verdünnung des Brennstoffes.In the course of the process described above, two result for fusion plasmas major problems, namely the pollution problem and the problem of helium evacuation. The contamination problem is that the particles emitted from the plasma and rays release material when they strike the vessel walls and the limiter a fraction of which penetrates the plasma tube and there - in the essentially as a result of increased radiation losses (line radiation) - the effect a harmful pollution. That is why one tries to find solutions, which on the one hand the measure of this so-called plasma-wall interaction overall reduce, on the other hand, allow the penetrated into the plasma edge layer Remove wall contamination from the plasma as quickly as possible. The latter Process, namely the removal of plasma components that are not considered thermonuclear Fuel can also be used to remove what is produced during fusion reactions Helium (d-particle) is of great importance. If it does not succeed, it will be burned up remove helium generated in the fusion plasma sufficiently quickly from the combustion volume, so causes its gradual accumulation - in a manner similar to accumulation harmful wall contamination - an unacceptable increase in the amount emitted from the plasma Radiation (i.e. radiation losses) and at the same time (in the case of a limitation the permissible plasma pressure) a dilution of the fuel.

Zur Verminderung der schädlichen Plasma-Wand-Wechselwirkung und Erhöhung der Heliumabfuhr kennt man unter anderem den sogenannten Abschällimiter und die sogenannten Divertoren.To reduce and increase the harmful plasma-wall interaction the helium removal is known, among other things, the so-called peeling limiter and the so-called divertors.

Unter Abschällimitern versteht man eine Umgestaltung des in der Einleitung beschriebenen einfachen Limiters in einer Weise, daß der auf den Limiter auftreffende Teilohenstrom (in Kombination mit einer neben dem Limiter in der Gefäßwand angebrachten großen Pumpöffnung) nach seiner Neutralisierung vorzugsweise nach außen in eine an der Gefäßwand angebrachte Pumpkammer gelenkt wird. Der eigentliche Limiter ist dabei im wesentlichen allgemein T-förmig ausgebildet, wobei sich der obere Querbalken des T nach vorn zunehmend verjüngt und in Form einer keilförmigen Schneide der Plasmaströmung zugewandt ist, so daß die auf die Unterseite dieser Schneide auftreffenden Teilchen durch geeignete Blenden an einer Rückströmung in das Plasmavolumen gehindert und vorzugsweise in Richtung der Pumpkammer geleitet werden. Der untere oder Fußteil der T-förmigen Schneide wird durch die Pumpkammer nach außen geführt und dient gleichzeitig der Zu- und Abfuhr eines Kühlmittels, welches zur Abfuhr der erheblichen Wärmebeaufschlagung dient. Der Abschällimiter hat zwei Nachteile: Die Leistungsdichte - insbesondere an der dem Teilchenstrom ausgesetzten Schneidenkante - ist sehr hoch und in einem Fusionsreaktor nur dann tolerabel, wenn der größte Teil der über Ladungsträger aus dem Plasma emittierten Leistung nicht auf den Limiter strömt, sondern durch Strahlung und Ladungsaustauschprozesse möglichst gleichmäßig auf die Gefäßoberfläche verteilt wird und von dieser abgeführt werden kann. Wegen des nach außen abfallenden Dichteprofils gelangt der größte Teil des geladenen Teilchenstromes nur in die Nähe der Schneidenkante des T-förmigen Querbalkens und wird nicht optimal gepumpt.The peeling limiters are a redesign of the introduction described simple limiters in such a way that the impact on the limiter Partial current (in combination with one installed next to the limiter in the vessel wall large pump opening) after its neutralization, preferably to the outside into a The pump chamber attached to the vessel wall is directed. The real limiter is essentially generally T-shaped, with the upper crossbeam of the T increasingly tapers towards the front and in the form of a wedge-shaped cutting edge of the plasma flow is facing, so that the particles impinging on the underside of this cutting edge prevented by suitable diaphragms from a backflow into the plasma volume and are preferably directed in the direction of the pumping chamber. The lower or foot part the T-shaped cutting edge is through the pumping chamber to the outside guided and at the same time serves to supply and discharge a coolant, which is used for discharge is used for the significant application of heat. The peel limiter has two disadvantages: The power density - especially at the cutting edge exposed to the particle flow - is very high and can only be tolerated in a fusion reactor if the largest Part of the power emitted from the plasma via charge carriers does not affect the limiter flows, but as evenly as possible through radiation and charge exchange processes is distributed on the surface of the vessel and can be removed from it. Because The majority of the charged particle flow reaches the outwardly decreasing density profile only near the cutting edge of the T-shaped crossbeam and will not be optimal pumped.

Eine grundsätzlich andere Lösung wird mit sogenannten Divertoren angestrebt: Diese wirken auf die Magnetfeldstruktur, wobei die die Plasmarandschicht begrenzenden magnetischen Feldlinien durch schlitzförmige Blendensysteme aus der eigentlichen Entladungskammer heraus in eine separate sogenannte Divertorkammer geführt werden, wo der Plasma- und Energiestrom auf dort befindliche Prallplatten auftrifft und das dabei entstehende Neutralgas abgepumptwird. Je nach Art der Divertorkonfiguration unterscheidet man zwischen dem sogenannten Toroidalfeld-Divertor (0-Stellarator), Poloidalfeld-Divertor (ASDEX, PDX) und dem sogenannten Bündel-Divertor, welcher eine gewisse Variante des Toroidalfeld-Divertors darstellt (DITE). Die genannten Divertoren haben jedoch Nachteile. Sie erfordern zusätzliche Magnetspulen, deren Ströme von vergleichbarer Stärke sind wie die Ströme in den Toroidalfeld-Spulen beziehungsweise wie der gesamte Plasmastrom. Es ergeben sich große Kräfte und Biegemomente, und die Divertorspulen sind deshalb ein wesentlicher und einschränkender Faktor beim design zr Maschine. Im übrigen ist der mit ihrer Bereitstellung verbundene finanzielle Aufwand und Raumbedarf erheblich.A fundamentally different solution is sought with so-called divertors: These act on the magnetic field structure, with the delimiting the plasma edge layer magnetic field lines through slot-shaped aperture systems from the actual Discharge chamber can be led out into a separate so-called divertor chamber, where the plasma and energy flow impinge on the baffle plates located there and the resulting neutral gas is pumped out. Depending on the type of divertor configuration a distinction is made between the so-called toroidal field divertor (0 stellarator), Poloidal field divertor (ASDEX, PDX) and the so-called bundle divertor, which a certain variant of the toroidal field divertor represents (DITE). However, the divertors mentioned have disadvantages. They require additional solenoids, whose currents are of comparable strength as the currents in the toroidal field coils or like the entire plasma flow. There are large forces and bending moments, and the divertor coils are therefore an essential and limiting factor in the design of the machine. Incidentally, is the one associated with their provision financial outlay and space requirements are considerable.

Bezüglich des Maßes an apparativem und finanziellem Aufwand sowie an Störung der ursprünglichen Magnetfeldkonfiguration nimmt eine weitere Art von Divertor, der sogenannte Resonante Helische Divertor, eine Sonderstellung ein. Der wesentliche Grund hierfür liegt in der Tatsache, daß die für die Umlenkung der Magnetfeldlinien in der Randschicht erzeugte Konfiguration unter Ausnutzung einer natürlichen Eigenschaft der zur Einschließung toroidaler Plasmen mittels Rotationstransformation nötigen Magnetfelder erzeugt wird. Solche Magnetfelder zeichnen sich nämlich dadurch aus, daß die den Plasmaschlauch helikal einspinnenden magnetischen Feldlinien an bestimmten Stellen des Plasmaradius derart entarten, daß sie zum Beispiel nach drei oder nach vier Umläufen in toroidaler Richtung wieder in sich selbst zurückgeführt werden (rationale magnetische Oberfläche), anstatt wie sonst die magnetische Oberfläche ergodisch, das heißt mit unendlich vielen Umläufen, einzuhüllen. Erzeugt man nun durch von außen angelegte zusätzliche Magnetfelder eine sehr kleine Störung der ursprünglichen Magnetfeldkonfiguration, die in Stärke und Richtung im wesentlichen nur am Ort einer den Plasmaschlauch umfassenden rationalen Feldlinie angreift, so lassen sich in der Randschicht des Plasmas Inselstrukturen erzeugen, die in einer Art Zopfmuster den toroidalen Plasmaschlauch helikal umfassen. Die Divertorkammer wird im Falle eines resonant helischen Divertors dadurch gebildet, daß im Inneren der erzeugten Insel im wesentlichen helikal geformte Abschirmflächen angebracht werden, die in ihrer Mitte durch stegartige Verbindungsstücke, welche gleichzeitig als Prallplatten dienen, mit der Innenseite des Vakuumgefäßes verbunden sind. Diese ihrungsbleche erstrecken sich entweder über die gesamte innere Oberfläche des Vakuumgefäßes oder aber sie bedecken nur die "äußere" Hemisphäre der Vakuum£efäßinnenseite, das heißt zum Beispiel circa 40 % der inneren torusförmigen Oberfläche des Vakuumgefäßes. Eine solche Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß die vom Vakuumgefäß nach außen führenden Pumpenöffnungen, welche naturgemäß nur einen kleinen Bruchteil, zum Beispiel 2 - 3 %, der Torusoberfläche betragen können, sehr unwirksam sind, um den entlang der stegartigen Verbindungen (3 Platten) anfaAlenden Gasballast abzupumpen. Eine effektivere Pumpwirkung kann nur durch zwischen Leitblechen und Vakuumgefäß angebrachten pumpenden Oberflächenschichten ( zum Beispiel Kryopumpen oder Sorptionspumpen oder Getterpumpen ) bewirkt werden. Diese sind jedoch weniger gut zum Abpumpen des Heliums geeignet und außerdem eine zusätzliche Komplikation bei der Gestaltung der inneren Vakuumgefäßoberfläche; einige Eigenschaften ( zum Beispiel hohe Temperatur der Gefäßoberfläche und Kryopumpe) stellen einen Widerspruch dar. Ein weiterer Nachteil der geschilderten Anordnung besteht darin, daß die Leitbleche und Abstandsstückstrukturen noch vor Montage des gesamten Vakuumgefäßes eingebracht werden müssen und praktisch keine Möglichkeit bieten, eine nachträgliche Anpassung zwischen der Positionierung der helikalen Leitbleche und der experimentell festgestellten tatsächlichen Lage der Insel vorzunehmen.Regarding the amount of equipment and financial expenditure as well Another type of perturbation of the original magnetic field configuration takes place Divertor, the so-called resonant helical divertor, has a special position. Of the The main reason for this lies in the fact that the one responsible for deflecting the magnetic field lines Configuration created in the surface layer using a natural property which are necessary for the confinement of toroidal plasmas by means of rotational transformation Magnetic fields is generated. Such magnetic fields are characterized by that the magnetic field lines spinning helically into the plasma tube are determined Places of the plasma radius degenerate in such a way that they, for example, after three or after four revolutions in the toroidal direction can be returned to itself (rational magnetic surface) instead of the magnetic surface as usual ergodic, i.e. with an infinite number of revolutions, to encase. If you now generate a very small one by applying additional external magnetic fields Disturbance of the original magnetic field configuration, which in strength and direction im essential only at the location of a rational field line encompassing the plasma tube attacks, island structures can be created in the edge layer of the plasma, which helically encircle the toroidal plasma tube in a kind of braided pattern. the In the case of a resonant helical divertor, the divertor chamber is formed by that in the interior of the island produced essentially helically shaped shielding surfaces are attached, which in their middle by web-like connectors, which also serve as baffle plates, connected to the inside of the vacuum vessel are. These metal sheets either extend over the entire inner surface of the vacuum vessel or they only cover the "outer" hemisphere of the inside of the vacuum vessel, that means, for example, about 40% of the inner toroidal surface of the vacuum vessel. However, such an arrangement has the disadvantage that the vacuum vessel to the outside leading pump openings, which by their nature are only a small fraction, for example 2 - 3%, the torus surface can be very ineffective around the along of the web-like connections (3 plates) to pump off the gas ballast. One a more effective pumping action can only be achieved by placing the baffles between the baffles and the vacuum vessel pumping surface layers (for example cryopumps or sorption pumps or getter pumps). However, these are less good for expressing the Helium and also an additional complication in the design of the inner vacuum vessel surface; some properties (for example high temperature the surface of the vessel and the cryopump) represent a contradiction. Another disadvantage the arrangement described is that the baffles and spacer structures must be introduced before assembly of the entire vacuum vessel and practical offer no possibility of a subsequent adjustment between the positioning of the helical baffles and the experimentally determined actual position the island.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren vorzusehen, mit dem eine verbesserte Aufnahme und Ableitung der Plasmarandschichten erreicht werden kann.The object of the invention is therefore to provide a method with an improved absorption and discharge of the plasma boundary layers can be achieved can.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der oder die Abschällimiter mit einer helikalen äußeren Leiteranordnung zur Erzeugung von an der oder den Pumpöffnungen vorbeiführenden magnetischen Inseln kombiniert und derart im Zentrum der an der oder den Pumpöffnungen vorbeiführenden Inseln angeordnet wird beziehungsweise werden, daß die Leistungsbeaufschlagung der Leitblech(kanten) vermindert wird und dass dem Abschällimiterfuß jeweils eine solche minimale poloidale Ausdehnung gegeben wird, daß jede Feldlinie bei einem Umlauf um die Insel den Fuß mindestens einmal durchschneidet.This task is carried out in the method mentioned at the beginning according to Invention achieved in that the or each peeling-off with a helical outer Conductor arrangement for generating the pump opening or openings Magnetic islands combined and so in the center of the one or more pump openings islands passing by is or will be arranged that the application of power the baffle (edges) is reduced and that the peeling limiter foot is each one such minimal poloidal extension is given that every field line cuts the foot at least once when going around the island.

Die Erfindung betrifft mithin eine Kombination des Abschällimiterkonzeptes mit dem Konzept eines helikalen Divertors, wobei das Leitblech des T-förmigen Limiters in das Zentrum einer durch helikale äußere Leiter erzeugten Insel eingebracht wird, so daß diese Insel als magnetische Abschirmung der gegenüber Teilchen beziehungsweise Leistungsbeaufschlagung empfindliche Teile des Limiters wirkt. Gleichzeitig lassen sich dann die als Leitblech dienenden Teile des Abschällimiters geometrisch so gestalten und optimieren, daß der in der Nachbarschaft des als Prallplatten dienenden T-Deils entstehende Gasanfall nur noch zu einem geringen Bruchteil in das Entladungsvolumen zurückströmen kann.The invention therefore relates to a combination of the peel limiter concept with the concept of a helical divertor, with the baffle of the T-shaped limiter is introduced into the center of an island created by helical outer conductors, so that this island acts as a magnetic shield against particles respectively Applying power to sensitive parts of the limiter has an effect. Leave at the same time then the parts of the peeling limiter serving as the guide plate are geometrically designed in such a way and optimize that the one in the vicinity of the T-deil serving as a baffle plate The resulting gas accumulation is only a small fraction of the discharge volume can flow back.

Da ein solcher Abschällimiter durch eine äußere Pumpöffnung des Vakuumgefäßes eingebracht, gekühlt und justiert werden kann, bietet die Erfindung den weiteren Vorteil, daß Form und Positionierung des Abschällimiters der experimentell festgestellten Lage der magnetischen Insel angepaßt werden können. Wegen der im wesentlichen an die magnetischen Feldlinien gebundenen Bewegung der Plasmateilchen läßt sich durch geeignete Wahl der poloidalen Ausdehnung des Fußteils der T-förmigen Struktur, der durch die Halterung der Abschirmbleche gebildet wird und gemäß der Erfindung wegen der magnetischen Abschirmung der Leitbleche als Prallplatte für den auffallenden Teilchen-beziehungsweise Leistungsfluß dient, die Länge der magnetischen Feldlinien einstellen, entlang derer die Teilchen nach Durchlauf durch den Stagnationspunkt strömen müssen, bis sie die Prallplatte erreichen.There is such a peeling limiter through an external pump opening of the vacuum vessel can be introduced, cooled and adjusted, the invention offers the other Advantage that the shape and positioning of the peeling limiter is that determined experimentally Position of the magnetic island can be adjusted. Because of essentially on the magnetic field lines bound movement of the plasma particles can be through suitable choice of the poloidal extension of the foot part of the T-shaped structure, the is formed by the holder of the shielding plates and because of the invention the magnetic shield the baffle plates as a baffle plate for the striking particle or power flow is used, the length of the magnetic Set the field lines along which the particles will pass after passing through the stagnation point must flow until they reach the baffle plate.

Diese Länge spielt im Hinblick auf charakteristische plasmaphysikalische Eigenschaften eines solchen Divertors wie zum Beispiel die sich einstellende Plasmadichte in der Randschicht eine Rolle. Diese Plasmadichte ist für die Randschichtdicke bestimmend, die für eine gewünschte Abschirmwirkung zur Beaufschlagung der Divertorplatten herangezogen werden muß und ihrerseits maßgebend für die Abschirmwirkung gegenüber von der Wand in das Plasma einströmenden Verunreinigungsteilchen ist. Um diese Randschicht- oder Abschirmdicke experimentell variieren zu können, ist es gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung möglich, die poloidale Breite des Fußteils des T-förmigen Abschällimiters zu verändern, wie es im einzelnen im unten folgenden Anwendungsbeispiel gezeigt werden wird.This length plays in terms of characteristic plasma physics Properties of such a divertor such as the resulting plasma density a role in the edge layer. This plasma density is decisive for the surface layer thickness, which are used to act on the divertor plates for a desired shielding effect must be and in turn decisive for the shielding effect from the wall impurity particles flowing into the plasma. To this boundary layer or According to a further embodiment, it is possible to vary the shielding thickness experimentally possible according to the invention, the poloidal width of the foot part of the T-shaped peeling-off limiter to change, as shown in detail in the application example below will be.

Ein Nachteil der vorstehend beschriebenen Erfindung besteht. darin, daß die den Limiterfuß bildenden Prallplatten in relativer Nähe zum eigentlichen Plasmavolumen angebracht sein müssen, die größenordnungsmäßig gleich der radialen Breite einer Insel ist. Diese Tatsache kann bei einem Fusionsreaktor insoweit ein Nachteil sein, als dann die relativ große Pumpkammer noch im Bereich des Blankets angebracht werden muß, wo sie unter anderem starker Neutronenbestrahlung ausgesetzt ist und außerdem wertvolles Blanketvolumen in Anspruch nimmt.There is a disadvantage of the invention described above. in this, that the baffle plates forming the limiter foot are in relative proximity to the actual one Plasma volumes must be attached that are of the order of magnitude of the radial Width of an island. This fact can be so far in a fusion reactor This can be a disadvantage than the relatively large pumping chamber still in the area of the blanket must be attached where they are exposed, among other things, to strong neutron radiation is and also takes up valuable blanket volume.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann dieser Nachteil dadurch gemildert werden, daß man quer zum Magnetfeld in Nachbarschaft der Prallplatten durch zwei Elektroden ein elektrisches Feld anlegt, welches zu einer Drift des Plasmas senkrecht zu diesem elektrischen Feld und senkrecht zu den magnetischen Feldlinien in Richtung nach außen, das heißt weg vom eingeschlossenen Plasmakern, führt. Dabei kann die Prallplatte selbst als eine der beiden Elektroden dienen.In a further embodiment of the invention, this disadvantage can thereby be alleviated that one is transverse to the magnetic field in the vicinity of the baffle plates creates an electric field through two electrodes, which drifts the plasma perpendicular to this electric field and perpendicular to the magnetic field lines in the outward direction, that is, away from the enclosed plasma core. Included the baffle itself can serve as one of the two electrodes.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand eines Beispiels im Zusammenhang mit einer fusionsorientierten Versuchsanlage zum Einschluß eines Hochtemperaturplasmas nach dem Tokamakprinzip näher beschrieben. Charakteristische Parameter der Versuchsanlage sind: großer Plasmaradius: 1,75 m kleiner lichter Gefäßradius: 0,60 m Stärke des toroidalen Magnetfeldes auf der Achse:2 T im Plasma induzierbarer toroidaler Plasmastrom: 1/2 MA.In the following, the invention is shown in context using an example with a fusion-oriented test facility for the inclusion of a high-temperature plasma described in more detail according to the tokamak principle. Characteristic parameters of the test facility are: large plasma radius: 1.75 m small clear vessel radius: 0.60 m thickness of the toroidal magnetic field on the axis: 2 T in the plasma inducible toroidal plasma current: 1/2 MA.

DieDrErzeugung der inselförmigen Strukturen nötigen zusätzlichen elektrischen Leiter winden sich helisch um das Vakuumgefäß herum, wobei ein Umlauf in poloidaler Richtung mit drei Umläufen in toroidaler Richtung erreicht wird. Die zur Erzeugung dieser Inseln nötige Stromstärke (bezogen auf 1/2 MA Plasmastrom) beträgt 3 - 5 kA. Die angefügten Zeichnungen dienen zur Erläuterung der Erfindung. Es zeigen schematisch: Figur 1 einen poloidalen Schnitt durch das Vakuumgefäß einer Fusionsanordnung an einem Pumpstutzen; Figur 2a-c den Abschällimiter in der Perspektive (Figur 2a) seine Zuordnung zu Pumpstutzen (Figur 2b) irnd im Schnitt A-A wie in Figur 2b angedeutet (Figur 2c).The creation of the island-like structures requires additional electrical power Conductors wind helically around the vacuum vessel, one revolution in a poloidal Direction with three revolutions in the toroidal direction is achieved. The generation The current strength required for these islands (based on 1/2 MA plasma current) is 3 - 5 n / a The attached drawings serve to explain the invention. They show schematically: figure 1 shows a poloidal section through the vacuum vessel of a fusion arrangement on a Pump nozzle; Figure 2a-c the peeling limiter in perspective (Figure 2a) its assignment to pump nozzle (Figure 2b) and in section A-A as indicated in Figure 2b (Figure 2c).

Die schematische Anordnung des in das Vakuumgefäß eingebrachten und durch die Inseln magnetisch geschützen Abschällimiters ist in Figur 1 wiedergegeben: Das Vakuumgefäß (1) hat im wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt, der jedoch an der gezeigten Schnittstelle nach außen durch die große Pumpöffnung (2) unterbrochen ist. Diese Pumpöffnung kann sowohl kreisförmig (mit etwa 60 cm lichtem Durchmesser) als auch rechteckig sein (und hat dann zum Beispiel eine lichte Weite in der Schnittebene von 60 cm und senkrecht dazu von 80 cm). Die zur Erzeugung der Inseln nötigen magnetischen Störfelder werden von drei Paaren (Hin- und Rückleiter) von helikalen Wicklungen (3) erzeugt, welche sich jeweils dreimal in toroidaler Richtung um den Torus schlingen müssen, bevor sie denselben einmal in poloidaler Richtung umfaßt haben. Die lokale Steigung dieser Wicklungen ist dabei so gewählt, daß die Leiter den Feldlinien in der Inselmitte parallel laufen. Die bei einem Stromfluß von 4 kA durch die helikalen Wicklungen erzeugten Inseln (4) haben die an Hand der markierten Durchstoßpunkte der umgrenzenden magnetischen Feldlinien ersichtliohe Form. Wie man sieht, werden in der gezeigten Querschnittsebene drei sichelförmige Inseln gebildet, die durch drei Stagnationspunkte voneinander getrennt sind. Die Magnetfeldlinien innerhalb der Inseln ung solche, die von der Plasmaachse her gesehen außerhalb des Inselkranzes liegen, schneiden den Abschällimiter.The schematic arrangement of the introduced into the vacuum vessel and peel limiter magnetically protected by the islands is shown in Figure 1: The vacuum vessel (1) has a substantially circular cross-section, which however interrupted at the interface shown to the outside by the large pump opening (2) is. This pump opening can be circular (with a clear diameter of about 60 cm) as well as rectangular (and then has a clear width in the cutting plane, for example of 60 cm and perpendicular to it of 80 cm). The magnetic ones needed to create the islands Interference fields are generated by three pairs (forward and return conductors) of helical windings (3), which each loop three times around the torus in a toroidal direction must before they have embraced it once in a poloidal direction. The local The pitch of these windings is chosen so that the conductors in the field lines run parallel to the center of the island. The with a current flow of 4 kA through the helical The islands (4) produced by windings have the puncture points marked the surrounding magnetic field lines visible form. As you can see that three crescent-shaped islands are formed in the cross-sectional plane shown, which are separated from each other by three stagnation points. The magnetic field lines within the islands and those which, as seen from the plasma axis, are outside the Island wreath, cut the peel limiter.

Da die magnetische Konfiguration beim Umlaufen der Insel umgestülpt wird, fällt die höchste Leistung an den Flanken des Abschällimiters an und die Vorderkante wird entlastet. Gleichzeitig wird dadurch die Pumpwirkung verbessert. Zur Hemmung der Gasrückströmung von den Prallplatten (5) in das Gefäßinnere sind außerdem Blenden oder FUhrungsbleche (6) am Kragen des Pumpstutzens angebracht, die in den Pumpstutzen hereinragen. Die Ausdehnung der auch als Leitblech bezeichneten Abschirmplatte (7) des Abschällimiters in poloidaler Richtung ist so gewahit, daß die Spaltbreite zwischen der Blende (6) und der Abschirmplatte (7) möglichst klein wird, gleichzßitig jedoch ein hinreichender Sicherheitsabstand zwischen dem Ende der Abschirmplatte und dem Sta ationspunkt der Insel bestehenbleibt, um einen hinreichenden Schutz der Abschirmplattenkante vor Beaufschlagung durch Plasma und Energiefluß sicherzustellen.Because the magnetic configuration is inverted when revolving around the island the highest power occurs on the flanks of the peel limiter and the leading edge is relieved. At the same time, this improves the pumping effect. To inhibition The gas return flow from the baffle plates (5) into the interior of the vessel are also apertures or guide plates (6) attached to the collar of the pump nozzle, which fit into the pump nozzle protrude. The expansion of the shielding plate (7), also known as the baffle plate of the peeling limiter in the poloidal direction is chosen so that the gap width between the diaphragm (6) and the shielding plate (7) becomes as small as possible, but at the same time a sufficient safety distance between the end of the shielding plate and the Station point of the island remains in order to provide adequate protection of the shielding plate edge to be ensured before exposure to plasma and energy flow.

In poloidaler Richtung (schwach geneigt, um ein Zusammenfallen der Mi telachse der Abschirmplatte mit der magnetischen Feldlinie in Inselmitte sicherzustellen) ist die Ausdehnung dieser Platte so gewählt, daß ihre Montierbarkeit durch die Pumpöffnung hindurch sichergestellt ist, wobei die Platte über die Grenze der Pumpöffnung entlang der Feldlinie noch so weit in den Bereich der Innenwand des Gefäßes überragt, daß auch hier ein Zurückströmen des entstandenen Gases von den Prallplatten wirkungsvoll behindert wird. Die poloidale Breite der als Fuß des T-förmigen Abschällimiters ausgebildeten Prallplatten (5) wird vorzugsweise so gewählt, daß sie etwa 1/4 der poloidalen Ausdehnung der den Abschällimiter umhüllenden Insel ausmacht. Diese poloidale Breite ist außerdem durch geeignete Vorrichtungen (zum Beispiel eine Hydraulik) von außerhalb des Gefäßes durch die Pumpöffnung einstellbar, um die plasmaphysikalischen Verhältnisse in der Randschicht beeinflussen zu können.In a poloidal direction (slightly inclined to avoid a coincidence of the Center axis of the shielding plate with the magnetic field line in To ensure the center of the island), the extension of this plate is chosen so that its Mountability through the pump opening is ensured, the plate beyond the limit of the pump opening along the field line so far into the area towers above the inner wall of the vessel, so that here, too, the flowing back of the resulting Gas is effectively hindered by the baffle plates. The poloidal width of the baffle plates (5) designed as the foot of the T-shaped peeling limiter is preferred chosen so that they are about 1/4 of the poloidal extent of the peel-off limiter enveloping Island. This poloidal width is also determined by suitable means (for example a hydraulic system) adjustable from outside the vessel through the pump opening, in order to be able to influence the plasma physical conditions in the surface layer.

Die Ausdehnung dieser Prallplattenstruktur entlang der magnetischen Feldlinien ( das heißt nahezu in toroidaler Richtung ) ist durch die lichte Breite der Pumpöffnung bestimmt. Im angeführten Beispiel beträgt sie also knapp 80 cm.The expansion of this baffle structure along the magnetic Field lines (that is, almost in a toroidal direction) is due to the clear width the pump opening determined. In the example given, it is almost 80 cm.

Ein Schnitt durch einen Teil des Abschällimiterfußes ist in Figur 2 c angedeutet, die eine Anordnung der in Figur 1 allgemein mit 5 bezeichneten Prallplatten 8 mit Wärmeabfuhizum Beispiel durch Wasserkühlung) über die von außen mittels eines Balgs radial zu verschiebende Stütze 9 sowie Einstell- oder Justiereinrichtungen zur Variation der poloidalen Breite (mit Hilfe einer Hydraulik 10 und Federn 11) zeigt. Aus Figur 2 c geht ferner hervor, daß dieser Querschnitt keine direkte Rautenstruktur besitzt, sondern mehr spindelförmige Gestalt hat, um eine gleichmäßigere Beaufschlagung der Prallplatten mit Teilchen beziehungsweise mit Energie zu gewährleisten.A section through part of the peel limiter foot is shown in FIG 2 c indicated, which shows an arrangement of the baffle plates generally designated 5 in FIG 8 with heat removal, for example by water cooling) via the outside by means of a Bellows radially displaceable support 9 and setting or adjusting devices to the Shows variation of the poloidal width (with the aid of a hydraulic system 10 and springs 11). It can also be seen from FIG. 2 c that this cross section is not a direct diamond structure but has a more spindle-shaped shape in order to provide a more uniform application to ensure the baffle plates with particles or with energy.

Der gesamte Abschällimiter ist in mehreren Richtungen verstellbar, um eine möglichst weitgehende Anpassung seiner Position und Ausrichtung an die tatsächliche experimentell festgestellte Lage und Ausdehnung der Insel zu ermöglichen.The entire peel limiter can be adjusted in several directions, to adapt its position and alignment to the actual one as far as possible to enable experimentally determined position and extent of the island.

Als äußere Pumpe können sowohl mechanische Pumpen wie zum Beispiel lurbomolekularpumpen verwendet werden als auch Getter-, Kryosorptions- oder ähnliche Pumpen, die dann bereits im Raume des als Pumpstutzen (12) gezeigten Gebietes liegen.As an external pump, both mechanical pumps such as Turbomolecular pumps are used as well as getter, cryosorption or the like Pumps, which are then already in the space of the area shown as the pump nozzle (12).

Eine zusätzliche Verbesserung des Gastransportes nach außen, das heißt in Richtung des Pumpstutzens läßt sich dadurch bewirken, daß zwischen den Prallplatten (5) und den Blenden (6) ein elektrisches Feld angelegt wird, das eine auf diesem Felde sowie auf den im wesentlichen senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden magnetischen Feldlinien senkrecht gerichtete Driftbewegung des Plasmas zur Folge hat. Das Vorzeichen dieses Feldes wird so gewählt, daß die Driftbewegung vom Plasmavolumen wes b richtet ist und daß demzufolge die Pumpleistung durch den Querschnitt zwischen den Blenden (6) und den Prallplatten (5) weiter erhöht wird.An additional improvement in the gas transport to the outside, that is in the direction of the pump nozzle can be brought about that between the baffle plates (5) and the diaphragms (6) an electric field is applied, the one on this Fields as well as on the magnetic running essentially perpendicular to the plane of the drawing Field lines result in perpendicular drift movement of the plasma. The sign this field is chosen so that the drift movement from the plasma volume is directed wes b and that consequently the pump power through the cross section between the diaphragms (6) and the baffle plates (5) is further increased.

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Claims

Method for improved uptake and discharge of the plasma produced in the boundary layer of a toroidal high-temperature plasma or gas flow with the help of generally T-shaped, at the pump openings arranged peeling-off limiters, characterized in that the peeling-off limiters with a helical outer conductor arrangement for generating at the pump opening or openings Magnetic islands passing by combined and in such a way in the center of the or the islands leading past the pump openings, that the application of power to the guide plate (edges) is reduced and that the Peel limiter foot is given such a minimum poloidal expansion, that every field line cuts through the foot at least once when going around the island.

2. The method according to claim 1, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t that the poloidal thickness of the peeling limiter foot acting as a baffle plate set with a view to optimizing the plasma edge layer thickness in the peeling area will.

3. The method according to claim 1 or 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that an electric field transverse to the magnetic field in the neighborhood too the baffle plates is applied, which is directed towards the pump nozzle towards the plasma edge layer drift causes.

4. Fusion arrangement with peel limiter (s), the or those in respectively is or are arranged on a pump opening to carry out the method according to one of claims 1 to 3, g e -k e n n n z e i c h n e t d u r c h the combination of helical outer conductors (3) with the peeling limiter (s) (5, 7), the (or each) in the center of a magnetic generated by the helical conductors Island (4) is arranged in the pump nozzle opening (or are).

5. Arrangement according to claim 4, g e k e n n z e i c h -n e t d u r c h positioning devices to be actuated from outside the discharge vessel for adjusting the peel limiter (s).

6. Arrangement according to claim 4 or 5, g e k e n n -z e i c h n e t through a coolant supply to the peel limiter base via inlet openings in the pump nozzle (12).

7. Arrangement according to one of claims 4 to 6, d a -d u r c h g e no indication that the poloidal width of the flapper arrangement acting peeling limiter foot adjustable from the outside and preferably at about 1/4 of the poloidal island width is selected.

8. Arrangement according to one of claims 4 to 7, g e -k e n n z e i c h n e t d u r c h a ploughshare-like design of the baffle plates and a diamond or spindle shaped cross-sectional area between them.

9. Arrangement according to one of claims 4 to 8, g e -k e n n z e i c h n e t d u r c h panel-like guide plates (6) on the collar of the pump opening, which are essentially tangential to the magnetic field islands and the slot width between the guide plate (7) of the peel limiter and the pump nozzle.

10. The arrangement according to claim 9, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h Ee'nn '$ tungen for generating an electric field between the guide plates (6) and the baffle plates (5).